Ultrakaltes Quantengas gibt Einblicke in Wellenturbulenzen

Im komplizierten Bereich der Wellenturbulenzen, in dem die Vorhersagbarkeit ins Stocken gerät und Chaos herrscht, erforschen neue Forschungen den Kern der Wellenturbulenzen mithilfe eines ultrakalten Quantengases. Die Studie bringt neue Erkenntnisse zutage, die unser Verständnis der Nichtgleichgewichtsphysik verbessern und erhebliche Auswirkungen auf verschiedene Bereiche haben könnten.

Während die Thermodynamik für physikalische Systeme im Gleichgewicht ein unschätzbares Werkzeug ist, um Vorhersagen über ihren Zustand und ihr Verhalten zu treffen, ohne auf viele Details zugreifen zu müssen, ist es eine offene Herausforderung, ähnlich allgemeine und prägnante Beschreibungen für Nichtgleichgewichtssysteme zu finden.

Ein paradigmatisches Beispiel für Nichtgleichgewichtssysteme sind turbulente Systeme, die sowohl in natürlichen als auch synthetischen Umgebungen, vom Blutfluss bis hin zu Flugzeugen, allgegenwärtig sind. Insbesondere Wellenturbulenzen sind bekanntermaßen ein sehr schwieriges Problem, schwierig zu berechnen und nicht einfach zu messen, da Wellen mit so vielen verschiedenen Wellenlängen beteiligt sind.

Jetzt konnten Wissenschaftler der Universität Cambridge einige Fortschritte erzielen, indem sie Wellenturbulenzen durch ein ultrakaltes Quantengas erforschten. Der Schwerpunkt dieser Untersuchung liegt auf dem Bose-Einstein-Kondensat (BEC), einem Aggregatzustand, der erreicht wird, wenn das Gas auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wird.

Dieses Quantengas, das in einem lasererzeugten „Behälter“ im Vakuum gehalten wurde, wurde kontrollierten Vibrationen ausgesetzt und erzeugte eine Wellenkaskade, die fraktalen ähnelt und als turbulente Kaskade bezeichnet wird. Da das BEC kontinuierlich geschüttelt wird, erreicht es einen stationären Zustand, der eine Kaskadenform aufweist, die sich völlig von den Gleichgewichtszuständen unterscheidet.

Was diese Forschung auszeichnet, ist ihre Fähigkeit, die Eigenschaften turbulenter Kaskaden systematisch zu erforschen und zu messen und experimentell eine Zustandsgleichung (EoS) dafür zu konstruieren, ein Unterfangen, das in anderen Nichtgleichgewichtssystemen bisher schwer zu erreichen war. Die Ergebnisse veröffentlicht in Natur Erläutern Sie, wie durch die Variation des Energieeintrags durch die Vibrationen die Eigenschaften des turbulenten Zustands ausschließlich von der Größe der Energie abhängen und nicht von externen Faktoren wie Vibrationsfrequenz oder Behälterform.

„Ich hatte immer das Gefühl, dass unsere gemessenen Turbulenzen eine allgemeine Struktur haben“, teilt der Erstautor der Arbeit und Doktorand mit. Studentin, Cavendish Laboratory, Lena Dogra. „Wir haben drei Jahre gebraucht, um den richtigen Blickwinkel für die Betrachtung der Daten zu finden. Schließlich stimmte alles überein und wir erhielten diese schöne universelle Beziehung.“

Die Entdeckung spiegelt die Universalität des idealen Gasgesetzes für Gleichgewichtszustände für turbulente Kaskaden wider, die weit vom Gleichgewicht entfernt sind. Unter Berücksichtigung des idealen Gasgesetzes, das nicht davon abhängt, wie das System seinen aktuellen Zustand erreicht hat, stellten die Forscher fest, dass das Gleiche auch für die turbulente Kaskade gilt, die weit vom Gleichgewicht entfernt ist und plötzlich die Schüttelstärke ändert und zwischen verschiedenen turbulenten Zuständen wechselt.

Schließlich fanden sie durch Variation der inneren Eigenschaften des BEC, also der Dichte und der Stärke der Wechselwirkung zwischen den Atomen, heraus, dass das EoS in eine universelle Form gebracht werden kann, die sie alle zusammen einfängt.

„Systematische Methoden zum Verständnis von Gleichgewichtssystemen sind gut etabliert. Diese Arbeit ist ein Schritt zur Ausweitung solcher Ansätze auf Nichtgleichgewichtssysteme, die normalerweise viel schwieriger zu verstehen waren“, sagte Prof. Zoran Hadzibabic vom Cavendish Laboratory. Der interessanteste Aspekt dieser Forschung besteht darin, herauszufinden, wie ein chaotisches System durch eine einfache universelle Beziehung eingekapselt werden kann.

Obwohl die Untersuchung von Übergängen zwischen turbulenten Zuständen einen Schritt in Richtung der Zustandsgleichung (EoS) darstellt, ist sie für sich genommen schon faszinierend. Forscher möchten klären, was während der Übergangszeit direkt nach der Änderung der Erschütterung passiert, und möchten untersuchen, wie die Messungen mit Vorhersagen für die Dynamik zusammenhängen, die ein System auf dem Weg vom Gleichgewicht in einen Zustand fernab des Gleichgewichts und zurück erfährt ist oft mit Turbulenzen verbunden.

Die Ergebnisse weisen sowohl Ähnlichkeiten als auch Diskrepanzen mit Turbulenztheorien auf, die auf die sogenannte Gross-Pitaevskii-Gleichung (GPE) angewendet werden, die das kondensierte Bose-Einstein-Gas als ein klassisches Objekt beschreibt. Es erfasst auch viele andere Systeme von optischen Fasern bis hin zu Schwerewellen auf einer Wasseroberfläche.

Die Diskrepanzen zwischen den aktuellen Erkenntnissen und den Theorien könnten sowohl auf das Scheitern der angenäherten Turbulenztheorie als auch auf Quanteneffekte zurückzuführen sein, die im GPE nicht erfasst wurden. Welche Rolle beide Aspekte spielen, ist eine spannende Herausforderung für die Zukunft.